廢棄礦井地下空間反季節(jié)循環(huán)儲能研究

郭平業(yè)，王 蒙，孫曉明，何滿潮

(1.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

隨著國家能源結構調(diào)整，部分資源枯竭、不符合安全生產(chǎn)要求的落后礦井已經(jīng)或即將關停，據(jù)統(tǒng)計，自20世紀90年代末至2014年期間，全國累計關閉煤礦約7萬處，至2016年底又關閉1 493處，其中包括國有大型煤礦和地方小煤礦，2016—2020年，我國共關停煤礦5 300個。廢棄礦井在已完成的煤炭開采過程中，形成了包括不同開采水平的井下巷道、硐室群、工作面采空區(qū)等在內(nèi)的大量地下空間。由于廢棄礦井二次開發(fā)利用意識淡薄，多數(shù)礦井直接關閉，不僅造成巨大的地下空間資源浪費，還時常誘發(fā)安全和環(huán)境問題。因此，如何安全處置廢棄礦井，實現(xiàn)廢棄礦井地下資源高效二次利用是我國煤炭行業(yè)長期面臨的重要問題。

隨著我國城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進，建筑行業(yè)逐步成為碳排放的大戶。2019年，我國建筑全過程碳排放總量占全國碳排放量的50.6%，其中建筑運行階段碳排放量占全國碳排放的21.6%，僅北方地區(qū)供熱碳排放約6億t，因此，如何實現(xiàn)低碳(零碳)能源供應對建筑領域實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”具有重要意義。降低建筑運行能耗的主要手段是進一步提高地熱能、太陽能、風能等可再生清潔能源的使用比例。通過清潔能源為建筑供熱供電，可大大減少煤炭等化石燃料的消耗，減少礦區(qū)建筑運行能耗，進而減少碳排放量。不僅可以對廢棄礦井地下資源進行高效合理的二次利用，也為實現(xiàn)煤炭行業(yè)的“雙碳”目標提供了有效的路徑和助力。

筆者系統(tǒng)性梳理了國內(nèi)外廢棄礦井地下空間二次開發(fā)利用方式，重點分析了廢棄礦井地下空間的儲能利用方法，在此基礎上提出了反季節(jié)循環(huán)儲能利用技術，對其關鍵技術和問題進行了討論，應用實例探討了其可行性。

1 廢棄礦井地下空間儲能研究現(xiàn)狀

歐美諸國現(xiàn)代采礦工業(yè)發(fā)達，造就了巨量的廢棄礦井，正因如此，歐美國家也是廢棄礦井開發(fā)利用的先驅。自20世紀60年代至今，美國、英國、德國等歐美國家針對廢棄礦井開展了相關的研究與實踐，成效顯著。相比之下，我國對廢棄礦井開發(fā)利用的研究起步較晚，且存在礦井地質(zhì)條件復雜、階段性關停礦井數(shù)量大等特殊條件。僅在煤礦瓦斯(煤層氣)、煤炭地下氣化、地下水庫構建等能源化、資源化利用方面進行了工業(yè)性實驗，開展了廢棄礦井儲氣庫、儲油庫以及工業(yè)旅游等功能利用方面的探索性研究。

廢棄礦井開發(fā)利用可分為3個方面(圖1)：① 伴生/殘余資源開發(fā)，包括礦井水凈化再利用、殘余煤/瓦斯利用、地熱利用等。例如德國Freiburg等城市將污染較小的關停礦井水經(jīng)過反滲透處理，作為飲用水源；英國阿爾坎能源公司通過抽采關停的曼斯菲爾德煤礦地下瓦斯，為3臺1.5 MW的發(fā)電機組發(fā)電；荷蘭Heerlan市通過開發(fā)關停煤礦地熱能資源，建成了一套區(qū)域性的供熱供冷系統(tǒng)。② 地下空間利用，包括地下物資儲存庫、地下礦山博物館、地下礦山酒店/游樂園、壓縮空氣儲能等。例如美國Iron Mountain公司利用關停礦井地下空間建立了第1個地下文件儲存中心；德國在Asse關停鹽礦中放置中低放射性廢物桶，是利用地下空間資源處置廢棄物的典型案例；德國將1988年關停的Rammelsberg礦山改造為博物館；南非約翰內(nèi)斯堡在金礦舊址上建立了主題公園，游客可進入礦洞內(nèi)參觀游覽；比利時于1975年在Anderlues建成關停煤炭礦井地下儲氣庫，形成1.8億m的儲氣能力。③ 井下特殊條件利用，包括利用井下高落差的井巷空間建立抽水蓄能電站、利用井下恒溫恒濕環(huán)境建立地下醫(yī)療設施、利用深部低干擾等獨特環(huán)境建立深地實驗室等。例如美國新澤西州利用井下高落差的井巷空間，建成了霍普山抽水蓄能電站；烏克蘭在喀爾巴什州位于地下206～282 m的巖鹽礦井內(nèi)利用井下恒溫恒濕環(huán)境開辦了一所用于治療哮喘病人的醫(yī)院；在美國南達科他州一處關停金礦，由于開采深度達到1 500 m，其地下空間被斯坦福大學用來建設深地實驗室，用于提供暗物質(zhì)直接探測實驗等物理前沿領域研究所需要的深地低輻射、低干擾環(huán)境。

圖1 廢棄礦井二次開發(fā)利用分類

在“雙碳”目標的背景下，隨著能源結構調(diào)整，可再生能源占比逐年增加，尤其是風能和太陽能。但風能和太陽能具有隨機性、波動性、反調(diào)峰性、間歇性、季節(jié)性和地域性等特點，能源供應的持續(xù)性和穩(wěn)定性差，大規(guī)模并入電網(wǎng)會對電網(wǎng)造成嚴重沖擊。為了減緩風能、太陽能等可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊，需要規(guī)?；膬δ苎b置?，F(xiàn)今國內(nèi)外比較成熟的、具備電力大規(guī)模儲存能力的儲能技術主要有抽水蓄能技術和壓縮空氣儲能技術。然而常規(guī)的地上抽水蓄能電站和壓縮空氣儲能電站選址要求嚴格，需要大量、高落差的儲能空間，適合建設儲能電站的地點有限。而礦井在井工開采過程中形成的巨大的、高落差的地下空間，可以滿足儲能電站的建設要求。

1.1 抽水蓄能電站

圖2為抽水蓄能發(fā)電的工作原理。煤炭開采過程中形成的巨大的、高落差地下空間，利用存在一定高差的2個儲水空間，通過太陽能、風能等清潔能源發(fā)電，經(jīng)水泵與水輪機將電能與水體位勢能之間進行轉換，實現(xiàn)電能的轉換、儲存與釋放。美國麻省于20世紀初注冊了半地下、半地表蓄能裝置的專利；美國1993年在新澤西州建成的霍普山抽水蓄能電站，其下水庫利用的是地下約760 m深處已廢棄的礦洞，有效庫容均為620萬m，裝機容量為204萬kW。世界上首個半地下抽水蓄能電站Nassfeld于2006年建在奧地利的阿爾卑斯山;2012年，Gridflex Energy公司計劃在Maysville石灰?guī)r礦中修建抽水蓄能電站;2013年10月Mineville抽水蓄能項目初具雛形，預計在紐約的關停礦井中建造抽水蓄能設施;2014年4月New Summit Hydro公司設計在Norton，Ohio中建造一個總儲量1.5 GW的蓄能電站，申請了“Summit Project”的項目;德國下薩克森州能源研究中心計劃利用廢棄的金屬礦巷道建立全地下的抽水蓄能電站。維也納Energis/Pablo Spitzer公司計劃開展Pfaffenboden項目，上水庫由隧道群組成，總長1.5 km，儲水量1.2 Mm，下水庫由天然水系組成，總裝機容量300 MW。美國一直研究在明尼蘇達廢棄鐵礦建設地下抽水蓄能電站。而在歐洲德國的Harz和Ruhr礦區(qū)一直嘗試研究利用廢棄煤礦建造地下抽水蓄能電站。南非(2016年)也開始嘗試利用廢棄礦井建設地下抽水蓄能電站。比利時已經(jīng)開始嘗試利用廢棄采石礦和石板巖礦地下空間建設抽水蓄能電站。

圖2 抽水蓄能電站空間分布及工作原理

1.2 壓縮空氣儲能電站

圖3為壓縮空氣儲能工作原理，它通過太陽能、風能等清潔能源發(fā)電，將空氣壓縮后儲存于礦井地下空間中，在需要時，將高壓空氣釋放進入燃燒室與燃料一同燃燒升溫，然后高溫高壓燃氣進入汽輪機膨脹做功發(fā)電。壓縮空氣儲能通常儲存在地下直接開挖的硬巖硐室、鹽層中融浸開采的洞穴、廢棄礦山、枯竭的油氣藏儲層和含水層等地質(zhì)介質(zhì)中。例如，目前世界上僅有的2座正在商用運營的壓縮空氣儲能電站，分別是德國于1978年建造的290 MW的Huntorf電站和美國于1991年在阿拉巴馬州建造的110 MW的McIntosh電站,2個電站的儲氣庫都建在鹽巖地層的地下洞穴中，機組的壓縮機功率為60，290 MW，發(fā)電功率為50，110 kW。目前，除了這2座已經(jīng)商業(yè)運行的壓縮空氣儲能電站，世界各國還有許多正在建設或計劃建設的壓縮空氣儲能電站項目以及相關研究試驗。從2001年開始，美國的Norton壓氣儲能電站計劃在Ohio州建造一座大型的壓縮空氣儲能電站，其地下儲氣庫是利用原有的位于地下670 m深的廢棄石灰?guī)r礦洞,計劃輸出功率為2 700 MW。早在20世紀90年代，日本就實施了2項壓縮空氣儲能的相關試驗，其中一個修建在日本北海道Kamimasagawa市的一個煤礦內(nèi)，地質(zhì)條件為泥質(zhì)砂巖，另一個試驗硐室建造在岐阜縣神岡一個鋅礦的巷道中。韓國的壓縮空氣儲能電站試點項目于2011年開始建設，硐室位于地下100 m深的石灰?guī)r中,該項目的主要目的是研究內(nèi)襯巖石硐室的可行性以及相應系統(tǒng)構成的設計，包括硐室、混凝土室以及內(nèi)襯的材料。世界上第1座先進的絕熱壓縮空氣儲能試驗電站建在瑞士南部比亞斯卡附近哥特哈德基礎隧道開挖期間使用的一條山嶺隧道中，隧道全長為3.16 km，直徑為4.6 m。硐室內(nèi)放置了容量為12 MW·h的電能儲存裝置。2019年，山西省大同市同煤集團的云岡礦巷道壓縮空氣儲能項目開工建設，這是全國第1個利用廢棄煤礦巷道改造成壓縮空氣儲氣庫的儲能電站項目。巷道總長度約為9 000 m，其中可用總長度約為7 000 m，可用容積約為9×104 m，未來將可以建成首期60 MW、總規(guī)模達100 MW的壓縮空氣儲能發(fā)電站。

圖3 壓縮空氣儲能電站空間分布及工作原理

1.3 存在的問題

我國礦山數(shù)量眾多，約有1/3的礦井為水資源豐富型礦井。當?shù)V井關閉或廢棄后停止排水工作，井下水位會快速回彈，淹沒大量的井下巷道。而廢棄礦井抽水蓄能和壓縮空氣儲能電站均需對井下巷道空間進行改造方能投入使用。因此對于富水型礦井，以上2種儲能方式在改造和運行過程中需耗費大量的人力物力財力，增加了初始投資和運行成本。

針對富水型礦井，可以充分地利用井下豐富的水、熱和空間資源，進行廢棄礦井地熱資源的開發(fā)利用。廢棄礦井地熱資源利用的歷史由來已久，加拿大早在1990年前就通過熱泵系統(tǒng)對新斯科舍省斯普林希爾已關閉的樂佩克坎艾姆(Ropak Can Am)煤礦的地下熱能進行了利用，該煤礦安裝的熱泵系統(tǒng)在冬天提供環(huán)流供暖的同時，在夏天提供環(huán)流供冷，這是加拿大首批安裝的設備之一。加拿大Nova Scotia的Springhill工程，從深層巷道抽取水源經(jīng)過熱泵供暖(冬季)和制冷(夏季)后注入到淺部巷道，該系統(tǒng)每年可節(jié)約能源約60萬kW·h。目前，包括美國、加拿大、德國、英國等原來主要的煤炭生產(chǎn)國均開始廢棄礦山地熱利用方面的研究與應用，表1為目前運行的部分示范工程案例。發(fā)達國家均開始全面調(diào)查評估全國范圍內(nèi)廢棄礦井地熱開采潛力，如歐洲聯(lián)合發(fā)起的Minewater項目、新西蘭的Minewater 2.0項目等。BAILEY等對包括英格蘭、威爾士和蘇格蘭地區(qū)的61個廢棄礦井進行地熱資源評估，僅僅利用4 ℃的溫差就可以獲取47.5 MW的熱量。

表1 世界主要的廢棄礦井地熱利用示范工程[14]

廢棄礦井地熱資源開采常用地源熱泵與開環(huán)或閉環(huán)回路結合，冬季由礦井水中提取熱量為用戶供暖，夏季由礦井水中提取冷量為用戶供冷。目前，廢棄礦井地熱資源利用潛在模式主要有以下3種：① 井下封閉式換熱模式(圖4(a))。將換熱器放置在豎井或巷道內(nèi)，礦井水靜止不動，僅通過換熱器內(nèi)流體流動換熱。該模式的特點是系統(tǒng)穩(wěn)定，可靠性高，缺點是換熱效率低，適合負荷較小的系統(tǒng)，不適合大規(guī)模開發(fā)。② 開放式直排模式。從廢棄礦井抽出水體取熱后直接處理后排走，該模式破壞礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，一般很少使用。③ 開放式循環(huán)模式(圖4(b))，優(yōu)先利用廢棄礦井已有的豎井抽取和回灌水體，水體在采空區(qū)和巷道內(nèi)循環(huán)流動換熱，為了防止熱泵機組的堵塞和結垢問題，在熱泵和礦井水中間加一個換熱器以保障系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。同時，該模式可以根據(jù)用戶需求跨季節(jié)循環(huán)利用，實現(xiàn)冬季供熱、夏季供冷。

圖4 廢棄礦井地熱利用模式

然而，地熱資源開發(fā)利用的方式也面臨問題。地熱能雖然是可再生能源，但恢復期較為緩慢，在連續(xù)開采過程中尾水回灌不當容易引起儲層溫度下降、生產(chǎn)井采出溫度降低，造成熱突破，降低服務年限。

鑒于此，提出一種廢棄礦井反季節(jié)循環(huán)儲能技術，該技術利用井下恒溫環(huán)境，充分耦合利用太陽能、風能等可再生清潔能源，實現(xiàn)廢棄礦井周邊建筑物零碳/低碳供熱制冷。該技術可有效避免尾水回灌造成的熱突破，既合理利用了廢棄礦井地下空間資源，又有效的開發(fā)井下特殊資源加以利用，也是以往利用方式基礎上的一種耦合利用方式。

2 廢棄礦井反季節(jié)循環(huán)儲能技術

2.1 技術構想

廢棄礦井地下空間反季節(jié)循環(huán)儲能，是以廢棄礦井大量的地下巷道作為儲能空間，利用井下恒溫環(huán)境，在冬季和夏季可分別供熱制冷的儲能技術，其技術設想如圖5所示。礦井水的溫度一年四季相對穩(wěn)定、流量恒定，是非常理想的冷、熱源和儲能介質(zhì)，并且井下溫度全年波動不大，有利于減小熱量損失。在冬季時，抽采井下儲能空間中的恒溫礦井水，提取其中的熱量為建筑供暖并提供生活熱水，并將尾水回灌到地下儲能空間；在夏季時，抽采地下儲能空間中的恒溫礦井水，提取其中的冷量為建筑制冷，并將尾水回灌到地下儲能空間中。同時可以在地表沉陷區(qū)建立太陽能、風能發(fā)電站，為儲能系統(tǒng)及周邊建筑提供清潔電能，減少建筑運營期間碳排放量。

圖5 反季節(jié)循環(huán)儲能技術設想

為了防止連續(xù)取熱導致的儲層溫度下降，形成熱突破，除了合理安排抽采井回灌井位置，還應加入太陽能集熱裝置。太陽能可以直接為建筑物供熱，相應減小地熱資源的需求量和開采量，還可在冬季用來加熱回灌的尾水，防止由于回灌造成的儲層溫度快速下降，也可在夏季用來加熱回灌的制冷尾水，回灌至熱儲層中，加快熱儲層溫度的恢復。該系統(tǒng)有效利用了廢棄礦井井上井下空間，合理開發(fā)利用了廢棄礦井地區(qū)地熱、太陽能、風能等可再生清潔能源。

2.2 工藝系統(tǒng)

圖6為廢棄礦井反季節(jié)循環(huán)儲能技術示意，圖7為技術原理。冬季，井下恒溫巖土體溫度高于井上環(huán)境溫度，由井下儲能空間汲取礦井水，通過換熱器或熱泵提取熱量用于居民供暖、洗浴等，尾水通過太陽能加熱后回灌到井下儲能空間。夏季，井下恒溫巖土體溫度低于井上環(huán)境溫度，由井下儲能空間汲取礦井水，通過換熱器或熱泵提取冷量進行建筑空間制冷，而尾水通過太陽能進行加熱，回灌到井下儲能空間。在南方，冬季室外溫度相對較高，可以通過空氣源熱泵作為輔助供熱裝置進一步提供熱量；而在北方，由于冬季室外溫度較低，空氣源熱泵工作效率低，不適宜采用空氣源熱泵作為輔助供熱裝置，可通過天然氣或井下剩余煤層氣的燃燒，為供熱水箱內(nèi)的水加熱，滿足北方地區(qū)冬季供暖。此外，利用礦區(qū)地表沉陷區(qū)空間，布置太陽能、風能發(fā)電裝置，為礦區(qū)用戶、循環(huán)儲能系統(tǒng)提供電力，做到廢棄礦井多源耦合低碳/零碳供熱供電工藝。

圖6 廢棄礦井反季節(jié)循環(huán)儲能技術示意

圖7 廢棄礦井反季節(jié)循環(huán)儲能技術原理

3 廢棄礦井反季節(jié)循環(huán)儲能關鍵技術

3.1 多尺度空間熱儲評估方法

廢棄礦井內(nèi)的流動與傳熱規(guī)律是廢棄礦井地下空間反季節(jié)循環(huán)儲能技術面臨的關鍵科學問題。國外學者從不同角度利用不同的方法開展廢棄礦井內(nèi)流動與傳熱問題相關研究，如圖8所示，一種采用經(jīng)驗或理論分析方法，將廢棄礦井內(nèi)空間簡單概化為標準巷道，不考慮采空區(qū)，主要分析巷道內(nèi)水流的流動與圍巖之間的傳熱規(guī)律。理論分析是將廢棄礦井內(nèi)的地下空間形式理想化和簡單化，通過分析手段得出巷道內(nèi)流體流動和傳熱的解析解或近似解。該模型一般假設廢棄礦井內(nèi)主要空間形式為巷道，并將巷道看作換熱器，通過簡化的模型分析巷道內(nèi)的流動與傳熱。煤礦除了巷道外還有大量開采塌陷后形成的裂隙性熱儲，該模型尚未能考慮。

圖8 廢棄礦井地熱利用概化模型

由于廢棄礦井內(nèi)空間形式復雜，理論分析很難全面描述其中的流動與傳熱，當前的大部分研究均借助于數(shù)值分析手段。目前分析廢棄礦井內(nèi)的流動與傳熱時主要有3類數(shù)值計算方法：①有限差分法(FDM)。主要的計算代碼有美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的MODFLOW和美國勞倫斯伯克利國家實驗室的TOUGH系列。②有限單元法(FEM)。RAYMOND和THERRIEN根據(jù)加拿大Quebec地區(qū)的Gaspe銅礦試驗數(shù)據(jù)和資料建立一個三維有限元模型來研究礦井內(nèi)的流動與傳熱問題并評估可持續(xù)開采量，模型中采用等效孔隙介質(zhì)滲透模型來模擬巷道中的湍流流動。ANDRES等利用有限元分析軟件FEFLOW，對西班牙Asturias地區(qū)廢棄礦井分別建立二維和三維數(shù)值模型，通過設置不同的有效孔隙率和導水系數(shù)來表示巷道、工作面采空區(qū)和未擾動圍巖，分析廢棄礦井熱儲中的流動與傳熱。ORDONEZ等在該模型的基礎上增加了該區(qū)域地表河流和降雨補給對熱儲開采潛力的影響，巷道和工作面采空區(qū)同樣均采用等效孔隙模型。HAMM和SABET等對法國煤炭主產(chǎn)區(qū)Lorriaine地區(qū)的Vouters礦井地熱開發(fā)潛力進行分析，同時進行參數(shù)敏感性分析。③ 限體積法(FVM)。RENZ等在總結分析廢棄礦井熱儲數(shù)值模型的基礎上，采用有限體積法來計算分析熱儲內(nèi)流動與傳熱，該模型中巷道同樣采用等效孔隙模型。不管是采用哪種計算方法，以上關于廢棄礦井內(nèi)的流動與傳熱數(shù)值模型對巷道和采空區(qū)均采用等效孔隙模型簡化處理，使得建模和計算更加簡便和快捷，同時加大了模型計算結果的誤差。

經(jīng)驗估算是根據(jù)一些經(jīng)驗值來估算廢棄礦井熱儲資源量。僅用煤炭開采量、開采時最大排水量和平均排水量及排水溫度等參數(shù)粗略評估礦井地熱開采量，對參數(shù)缺乏的礦井可做簡單有效的評估。

礦井水的溫度和體積是決定廢棄礦井地熱能再利用的主導因素。礦井水的溫度與礦井埋深有著直接關系，同時受地質(zhì)構造特征、地層地熱性質(zhì)、局部和區(qū)域地下水狀況、礦井水停留時間及微生物呼吸放熱反應等影響。而礦井水的體積則受到底層巖性、煤層厚度、地質(zhì)構造、圍巖滲透系數(shù)及開采方式等影響。當溫度和體積確定時，估算礦井關閉后地下儲層地熱能常用的方法是體積法。

=′Δ

(1)

式中，為儲層存儲的靜態(tài)能，kW·h；′為轉換系數(shù)，′=2.7×10(kW·h)/kJ；為礦井水的比熱容，=4.18 kJ/(kg·℃)；為礦井水的密度，=1 000 kg/m；為礦井水的體積，m；Δ為礦井水使用前后的溫度差，℃。

我國煤炭地下開采主要采用長臂式開采，煤層開采之后，上覆巖層受到采動的影響垮落形成“三帶”，即垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶(圖9)?？迓鋷Ш土严稁?nèi)存在大量的孔隙和裂隙為儲水及流動提供有力地質(zhì)條件，而彎曲下沉帶內(nèi)存在較少的微裂隙不能提供有效儲水空間。因此，評價采空區(qū)儲水能力時，可不考慮位移帶的影響。采用式(2)估算整個采場的儲水空間：

圖9 廢棄礦井井下儲水空間示意

(2)

式中，為單個采空區(qū)的儲水體積，m；為垮落帶和裂隙帶高度之和，m；為儲層的可用系數(shù)，取0.8，表示有20%庫容水無法利用；為采空區(qū)長度，m；為采空區(qū)寬度，m；為采場儲存系數(shù)，可用垮落帶巖石碎脹系數(shù)進行計算，=1-(1/),為碎脹系數(shù)。

另外，還有一些學者從同位素和地球化學的角度分析廢棄礦井熱儲潛力。經(jīng)驗模型都是根據(jù)采礦量、地表塌陷等宏觀參數(shù)計算出井下儲水量，并簡單估算得到區(qū)域可開發(fā)資源量，適合于前期的規(guī)劃和評估。

廢棄礦井熱儲是在煤炭開采過程中形成的人工熱儲，與常規(guī)孔隙或裂隙型熱儲完全不同，受煤礦采掘歷史影響，廢棄礦井內(nèi)儲水空間具有顯著的多尺度特征，既有巷道等組成的大尺度空間，也有采動裂隙等形成的裂隙尺度空間，還包括巖石原生的孔隙尺度空間。廢棄礦井內(nèi)多尺度空間導致地下水流動與傳熱過程異常復雜，給廢棄礦井地熱資源可持續(xù)開采量的評估帶來困難，目前已有的常規(guī)地熱儲層評估模型和方法不適用于廢棄礦井熱儲評價。因此，如何科學評估可持續(xù)開采量是廢棄礦井地熱資源開發(fā)的首要問題。

為構建多尺度空間熱儲評估方法，精確評估廢棄礦井地熱資源可持續(xù)開采量，需要系統(tǒng)的梳理分析廢棄礦井工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、采掘空間、地表沉陷等特征指標，結合現(xiàn)場調(diào)研、物理模型試驗和數(shù)值計算，研究廢棄礦井各類儲水空間分布特征，建立廢棄礦井儲水空間三維數(shù)字模型。開展廢棄礦井多尺度空間耦合流動可視化物理模型試驗，結合數(shù)值計算和理論分析，研究典型廢棄礦井多尺度空間內(nèi)的流動與傳熱特征。在此基礎上，根據(jù)廢棄礦井三維數(shù)字模型，建立表征大尺度空間和裂隙儲水空間等不同尺度空間特征的典型廢棄礦井熱儲數(shù)值模型，精確評估廢棄礦井地熱資源可持續(xù)開采量。

如何快速準確的建立井下熱儲評估模型，是有效地評估廢棄礦井地熱資源可持續(xù)開采量的先決條件。通過查閱相關地質(zhì)資料并進行現(xiàn)場勘探調(diào)研，可以得到相關廢棄礦井的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、采掘空間、地表沉陷等信息。通過對以上信息的整理分析研究，可以得出礦井水資源情況、廢棄礦井空間資源情況以及圍巖溫度場變化情況。井下空間資源可進一步分為井巷空間、采空區(qū)空間和采動裂隙，在建模過程中可將井巷空間設置為大尺度的三維通道模型，采空區(qū)空間設置為不同有效孔隙率的等效孔隙介質(zhì)模型，巖層裂隙設置為裂隙介質(zhì)模型，得到廢棄礦井儲水空間三維模型，再與礦井水分布、補排來源、井下圍巖溫度場演化規(guī)律結合，最終得到廢棄礦井三維熱儲評估模型。具體的三維建模過程如圖10所示。

圖10 廢棄礦井三維熱儲評估模型建模過程

3.2 反季節(jié)循環(huán)儲能整體設計方法

根據(jù)工程信息系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)、工程分析與科學決策的結果，綜合考慮地上工程和地下工程的特點以及2者之間的相互關系，保證地面熱泵機組、電力系統(tǒng)、用戶供暖參數(shù)與地下礦井各項參數(shù)相互匹配，提出廢棄礦井反季節(jié)循環(huán)儲能技術設計方案(圖11)：① 需要全面分析了解工程對象，包括資源狀況(地下空間資源、太陽能資源、風能資源、水資源以及供熱制冷工程需要的參數(shù)等)、利用狀況(用戶冷熱負荷、耗電情況和用水量等)。② 針對對象的資源狀況和利用狀況進行對策分析，包括：資源配置對策，即根據(jù)資源條件和工程需求提出合理的配置方案。工藝優(yōu)化對策，即根據(jù)實際情況提出合理利用方案。資源與環(huán)境保護對策，即在對廢棄礦井地熱資源利用的過程中要避免帶來新的環(huán)境問題。③ 工藝流程設計包括反季節(jié)循環(huán)儲能工藝設計，梯級開發(fā)循環(huán)利用工藝，多源互補耦合運行工藝。通過工藝流程優(yōu)化設計，找出滿足資源和工程條件、使系統(tǒng)功能達到最佳的各項對策的有機組合工藝。④ 參數(shù)優(yōu)化設計，針對最佳的工藝流程設計，進行地下工程和地上工程設備部分的相關參數(shù)優(yōu)化，主要考慮環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會效益3個方面，包括可持續(xù)開發(fā)量、利用率、初始投資、運行費用、應用效果等。確定滿足系統(tǒng)功能達到最佳的參數(shù)體系，從而形成最佳的參數(shù)設計。

圖11 井上井下整體優(yōu)化設計流程

3.3 反季節(jié)循環(huán)儲能多源耦合運行模式

反季節(jié)循環(huán)儲能以井下恒溫巖土體及礦井水為主體，其應用不受季節(jié)、氣候、晝夜等因素影響，在節(jié)能減排方面具有獨特優(yōu)勢。但循環(huán)儲能系統(tǒng)運行離不開電力，廢棄礦井太陽能、風能發(fā)電與反季節(jié)循環(huán)儲能技術的多源互補技術的應用，可減少循環(huán)儲能過程中對常規(guī)電力的依賴，提高可再生能源的利用率。雖然太陽能與風能發(fā)電優(yōu)勢明顯，但其間歇性對于電網(wǎng)帶來的沖擊問題尤為嚴重。抽水蓄能電站啟停迅速，運行調(diào)節(jié)靈活，可在應用反季節(jié)循環(huán)儲能技術的礦井建設適當規(guī)模的抽水蓄能電站，充分發(fā)揮抽水蓄能電站與太陽能、風能發(fā)電的互補性，減少太陽能、風能可再生清潔能源對電網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊。建立以抽水蓄能為紐帶的廢棄礦井太陽能、風能的多能互補系統(tǒng)，可有效提高供電的穩(wěn)定性和減少對電網(wǎng)的擾動。

光伏/光熱一體化技術通過光伏組件背面鋪設流體通道，由流道中的冷卻工質(zhì)帶走部分熱量并加以利用，可顯著提高太陽能的綜合利用率，可與廢棄礦井地熱協(xié)同供熱。在無需大量供熱的春季及秋季，地熱資源處于恢復期，可通過太陽能集熱系統(tǒng)直接為用戶供熱，滿足日常生活熱水用水需求。在冬季，地熱資源成為供熱主力，但回灌尾水溫度低，直接回灌容易造成儲層溫度降低，形成熱突破，太陽能集熱可收集熱量為回灌尾水加熱，減少低溫尾水對熱儲層的沖擊。在需要供冷的夏季，也是太陽能集熱效果最好的季節(jié)，可通過太陽能集熱系統(tǒng)收集熱量，進一步加熱制冷尾水，回灌至熱儲層中，加快熱儲層溫度恢復，實現(xiàn)熱能的反季節(jié)循環(huán)儲存。在冬季室外溫度較高的地區(qū)，可通過空氣源熱泵做為輔助熱源為用戶供熱；而在較寒冷地區(qū)，可通過天然氣或煤層氣燃燒產(chǎn)生的熱量做為輔助為生活用水加熱。

最后，末端用戶可根據(jù)環(huán)境、氣候、季節(jié)、溫度、資源情況及建筑形式等因素對供熱量、供冷量和供電量進行調(diào)控，具體運行模式如圖12所示。

圖12 多源耦合運行模式

以太陽能、風能電站及抽水蓄能電站組成的供電系統(tǒng)，以地熱能、太陽能、空氣源熱泵、天然氣/煤層氣組成的供熱系統(tǒng)耦合，形成了廢棄礦井反季節(jié)循環(huán)儲能多源耦合系統(tǒng)，經(jīng)過對不同工況設計不同的供熱、供冷、供電方案，形成反季節(jié)循環(huán)儲能多源耦合運行模式，為系統(tǒng)安全高效的運行提供保障。

4 典型礦井案例分析

京西煤田位于北京地區(qū)西南部即北京西山地區(qū)，主要分布于門頭溝和房山兩區(qū)內(nèi)。在北京市界內(nèi)的范圍是東起萬壽山西至北京市西邊界，北起齋堂南達周口店，東西長約45 km、南北寬約35 km，煤田面積為1 019 km。目前全部礦井均已關停，主要包括門頭溝煤礦、城子煤礦、楊坨煤礦、王平村煤礦、大臺煤礦、木城澗煤礦、千軍臺煤礦、大安山煤礦、長溝峪煤礦和房山煤礦。京西礦區(qū)煤礦退出關閉后，龐大的地下井巷空間已逐漸被地下水淹沒，借助地熱資源形成了大量的恒溫礦井水。據(jù)初步統(tǒng)計(表2)，僅門頭溝煤礦和城子煤礦開拓巷道和采空區(qū)構成的儲水空間可達1 835萬m，加上目前尚未統(tǒng)計的開采裂隙儲水空間，儲水量可能會更高。京西關停礦井開采深度均超過500 m，地下水溫度15～20 ℃，地熱開發(fā)潛力巨大。

表2 京西廢棄礦井儲能潛力預估

王平村礦區(qū)位于門頭溝區(qū)王平鎮(zhèn)，于1994年閉礦，礦區(qū)主體改造意向為礦區(qū)主題休閑度假村，擬用地面積25萬m，建筑面積約6萬m，現(xiàn)有供熱設施為2臺以液化天然氣為燃料的0.7 MW真空熱水鍋爐，供熱面積為16 529 m。礦區(qū)交通便利，臨近豐沙鐵路和京門鐵路。礦區(qū)臨近永定河，地下水源充足，年平均日照2 600 h左右，太陽輻射量全年平均為5 000 MJ/m左右，有充足的太陽能可用于供熱發(fā)電，不僅可在廢棄礦井沉陷區(qū)布置光伏/光熱一體化系統(tǒng)，也可布置在建筑物屋頂，提高供熱供電量。但由于地處山區(qū)，平原面積少，周邊又多是居住區(qū)、自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)等，風能利用由其是風電場的選址建設應慎重考慮，進行專項論證。

王平村礦區(qū)位于門頭溝區(qū)王平鎮(zhèn)，于1994年閉礦，礦區(qū)地理位置如圖13所示。在不考慮太陽能集熱發(fā)電、風能發(fā)電的情況下，以王平村礦區(qū)為例計算不同供熱制冷系統(tǒng)的能源消耗量及污染物排放量。王平村礦區(qū)反季節(jié)循環(huán)儲能工藝系統(tǒng)如圖14所示。

圖13 王平村礦區(qū)地理位置

圖14 王平村礦區(qū)反季節(jié)循環(huán)儲能工藝系統(tǒng)

通過式(3)，(4)計算得到不同供熱系統(tǒng)的能源消耗量，并通過不同燃料的單價、熱值、熱效率等參數(shù)計算出能源年費用，面積熱負荷指標取70 W/m。

=

(3)

(4)

其中，為總熱負荷，kW；為鍋爐熱效率；為單位時間產(chǎn)熱熱量，kW；為能源消耗量，kg或m；為能源熱值，kJ/kg；為時間，s。熱泵COP值取5。

經(jīng)查閱相關材料，設定燃煤鍋爐中燃燒1 t標準煤排放CO為2.66 t，燃氣鍋爐燃燒1萬m燃氣排放CO為19.94 t，燃油鍋爐燃燒1 t燃油排放CO為2.3 t；火電廠的發(fā)電效率按300 g/(kW·h)(標煤)計算，產(chǎn)生1 kW·h的電能排放CO為0.83 kg，則各供熱系統(tǒng)的減排效益分析見表3。

表3 不同供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟及減排效益

計算分體式空調(diào)系統(tǒng)夏季制冷能源消耗量，并計算能源年費用。經(jīng)查閱資料，門頭溝地區(qū)夏季白天平均氣溫為28 ℃，夜間平均氣溫為16 ℃，假設制冷時間為6—8月，且夜間無需制冷，共制冷1 200 h。面積冷負荷指標取120 W/m，王平村礦區(qū)建筑總體冷負荷為7.2 MW。假設每20 m安裝一個1.5匹分體式空調(diào)，共安裝3 000個，總制冷量為10.5 MW，滿足礦區(qū)建筑總體冷負荷。以二級能耗分體式空調(diào)為例，EER(Energy Efficiency Ratio)為3.3，制冷消耗功率為3.2 MW，制冷季共消耗電量384萬kW·h。若以EER=5的熱泵代替分體式空調(diào)制冷，共消耗電量252萬kW·h，減小電能消耗132萬kW·h，轉換為火電廠發(fā)電可減排CO約1 095.6 t。且熱泵系統(tǒng)只需將蒸發(fā)側與冷凝側互換即可完成制冷制熱系統(tǒng)的轉換，無需安裝其他設備，節(jié)省系統(tǒng)初始投資和運維費用。

為積極響應國家雙碳戰(zhàn)略，落實北京市關于實施二氧化碳排放控制專項行動的重要指示，助力“一線四礦”重點工程，打造京西零碳供熱供冷示范區(qū)。充分利用廢棄礦井的“零碳資源”，合理運用廢棄礦井地下空間反季節(jié)循環(huán)儲能工藝系統(tǒng)，以王平村礦區(qū)為例，經(jīng)估算每年僅供熱供冷季可減排二氧化碳約2 781.1 t，隨著風能、太陽能等可再生能源發(fā)電/集熱量的增加，節(jié)能減排效果將更加顯著，二氧化碳排放系數(shù)降低到0.246 kg/(kW·h)，且經(jīng)濟效益顯著。由此可見，應用廢棄礦井反季節(jié)循環(huán)儲能系統(tǒng)可進一步提高京西地區(qū)的清潔供熱能力和供能安全，保障熱力電力安全、清潔、穩(wěn)定、高效供應，將對北京市能源保障和“碳達峰、碳中和”具有重要的意義。

5 結論與展望

(1)“雙碳”背景下，我國因資源枯竭和落后產(chǎn)能退出而關閉的煤礦數(shù)量逐年增加，大量的廢棄礦井亟待安全處置和開發(fā)利用，如何安全高效利用廢棄礦井是資源枯竭地區(qū)發(fā)展轉型升級的關鍵。國內(nèi)外廢棄礦井二次開發(fā)利用主要有伴生/殘余資源開發(fā)、地下空間利用和井下特殊條件利用。近年隨著新能源的規(guī)?；?，包括地下抽水蓄能、壓縮空氣儲能等廢棄礦井儲能利用方式得到廣泛關注。

(2)在廢棄礦井地熱資源開發(fā)利用技術的基礎上，提出了廢棄礦井地下空間反季節(jié)循環(huán)儲能技術設想。該設想充分考慮了廢棄礦井地下空間資源、地熱資源、水資源和地上可再生資源，通過在沉陷區(qū)布置太陽能和風能發(fā)電設備，為周邊用戶和整個儲能系統(tǒng)提供電能。以井下恒溫巖土體中的巷道群和采空區(qū)為儲能空間，以礦井水為儲能介質(zhì)，通過太陽能集熱和廢棄礦井地熱資源為周邊用戶供熱/制冷，并且可以在無需供熱/制冷的季節(jié)將熱能儲存至礦井地下，實現(xiàn)熱能的反季節(jié)循環(huán)儲存。

(3)以我國典型廢棄礦井——京西王平村礦井為例，設計了反季節(jié)循環(huán)儲能系統(tǒng)，估算了該系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。結果表明，與傳統(tǒng)化石燃料供能系統(tǒng)相比較，應用反季節(jié)循環(huán)儲能系統(tǒng)，每年可減少二氧化碳量排放約2 781.1 t，且具有明顯的經(jīng)濟效益。若加入太陽能、風能集熱發(fā)電系統(tǒng)，節(jié)能減排效果將更加明顯。